館校結合開展跨學科學習的策略初探

《全民科學素質行動規劃綱要（2021—2035年）》提出，要建立校內外科學教育資源有效銜接機制。實施館校合作行動，引導中小學生充分利用科技館、博物館等科普場所廣泛開展各類學習實踐活動。2022年版科學課程標準立足學生核心素養的發展，在課程資源開發與利用中提倡充分利用身邊的、易得的科學課程資源幫助學生學習，發揮科技館的作用，通過實地考察等途徑，促進課程目標的達成。由此可以看出，以有效培養學生科學素養為根本目的，充分發揮科技館的資源優勢推動小學科學教育的發展是非常必要的。在“設計冬暖夏涼的環保小屋”主題活動教學中，我們探索館校結合開展跨學科學習。

一、背景分析

1.不同版本教材內容分析

“設計冬暖夏涼的環保小屋”主題活動是基于小學科學“保溫與散熱”這一教學內容設計的。從教學內容的分析來看，隸屬于2022年版科學課程標準中核心概念“技術、工程與社會”。“技術與工程”是在2017年版科學課程標準中增加的，它不僅豐富了小學科學教育的內涵，也使學生獲得了更廣闊的發展空間。我們應該意識到，技術與工程實踐活動和科學探究活動具有同等重要的地位和作用，兩者相互補充、相得益彰。縱觀人教鄂教版、湘版和教科版教材內容及編排順序，對于熱傳遞內容的學習，最終都落腳在設計并制作一個保溫（散熱）裝置上（見表1）。

已有教材在內容的選擇與編排上存在以下問題：首先，大部分教材忽略了工程設計的基本流程，即確定問題—制訂合理的解決方案—分析解決方案—優化解決方案—展示交流，而經歷這樣的流程對學生而言是十分必要的，這能夠強化他們對重要技能和科學知識的領悟，使他們逐步理解工程、技術、科學和社會是如何相互聯系的，由此實現課程標準的相關要求。其次，學校場地、設施的局限，以及一些常用的保溫散熱材料的缺乏，極大阻礙了學生的探究欲望。

2.“綠色之家”展品分析

中國科學技術館“同構能源格局”常設展廳的“綠色之家”展品，由一棟被動節能屋以及7個互動子展品構成。互動子展品包括：建造你的節能房屋、被動節能屋的墻體結構、被動節能屋的窗戶結構、中央控制系統（包括照明系統、空調系統、新風系統等功能）、雨水收集系統、踩踏發電系統、節能屋頂。通過互動子展品，展示被動節能屋的墻體結構、門窗結構、新風系統、照明系統等先進節能技術。其中蘊含的很多內容與學生所學的有關熱的知識聯系緊密，可以很好地彌補課堂學習的不足，為本次課程的實施提供保障。

3.學情分析

我校高年級學生在人教鄂教版五年級《科學》第一單元中學習過熱傳遞的三種方式——熱傳導、熱對流、熱輻射，以及保溫與散熱的方法。在該單元的最后，學生需要進行一項保溫設計，但他們還不能將所學知識運用于產品的設計，同時對于技術與工程對人們生活、生產和社會的影響沒有形成科學的認識。

二、活動簡述

基于以上分析，我們在人教鄂教版教材《保溫與散熱》一課的基礎上創設了“設計冬暖夏涼的環保小屋”主題活動（如圖1），目的是針對當今社會上普遍比較關注的環境問題（如極端天氣的頻繁出現等），引導學生利用已有知識，嘗試解決生活中的一些問題，通過經歷“確定問題—制訂合理的解決方案—分析解決方案—優化解決方案—展示交流”的學習歷程，理解技術與工程設計的一般流程，在培養他們實踐與創新能力的同時，培養他們的社會責任感，并引導他們樹立保護環境的意識。

“設計冬暖夏涼的環保小屋”主題活動的目標如下：

通過參觀“綠色之家”展品，了解綠色節能房屋的墻體、窗戶、屋頂、地板等特點，以及它們的保溫與散熱的原理。

通過設計、改進“冬暖夏涼的環保小屋”，能夠將所學有關熱的知識與實際生活相聯系，將具體知識轉化為設計方案。

通過參觀與設計活動，了解科學技術與生態環境的密切關系，進一步建立和傳播綠色低碳的生活方式和理念。

通過設計一個“冬暖夏涼的環保小屋”，在不斷迭代改進的過程中，體會工程設計的復雜性、系統性與綜合性。

三、活動實施過程與效果

1.聚焦研究問題

教師出示一張匯集了全球不同的氣候研究機構公布的從1850年至今的氣溫變化圖，問學生從這張圖片中有哪些思考？學生交流后，提出以下問題：造成全球氣溫上升的原因是什么？全球氣溫升高有什么影響？怎樣減少氣溫的上升？在這樣的環境下，有沒有適合居住的房子，讓人感覺不那么熱？通過對熱單元的學習，哪些問題是可以在課堂中開展研究的？教師引導學生開展討論，回顧熱傳遞三種方式的特點、不同材料的導熱性能以及生活中的一些保溫和散熱的方法等，逐步聚焦到思考如何利用保溫和散熱的知識，以及身邊的節能環保材料，設計并制作一個“冬暖夏涼的環保小屋”。

2.初步設計，完成設計圖

由于在生活中接觸的現代化產品較多，學生最初的設計圖能夠關注到雙層玻璃、羽絨保溫簾等一些常見的可以起到保溫、散熱作用的材料，大部分的設計都體現了對電能、太陽能等能量轉換方式的應用（如圖2），而對于房屋結構、材料的導熱性能等方面的關注還較為欠缺，對工程設計的系統意識還不夠。這些問題在學生的初步設計中較為普遍。

3.分析設計，改進設計圖

學生圍繞以下兩個問題展開討論，進一步分析設計方案的不足。

問題1：我們在設計中利用了哪些保溫、散熱的方法？用到了哪些節能環保的材料？

問題2：我們在設計的過程中還發現了哪些問題？打算如何解決？

在討論的過程中，學生體會到工程設計的復雜性和系統性，也發現了自己最初設計中的一些不足。隨著學生知識的不斷豐富，認識的不斷深入，他們對于設計方案也有了更深入的思考。由于課堂中的已有資源不足以支撐在工程設計方面的進一步學習與探索，因此教師可以帶領學生走進中國科學技術館，借助館內相關資源，幫助他們進行學習、體驗和實踐，給他們創造更多的機會不斷地對設計進行改進和完善。

學生在參觀“綠色之家”展品時，主要參觀被動節能屋的墻體結構、窗戶結構、節能屋頂、中央控制系統幾個展品（如圖3），了解節能房屋墻體的氣密性和保溫性原理、節能窗戶結構的氣密性和保溫性原理、不同種類的節能屋頂的結構與功能、中央控制系統的特性等。

學生回到課堂后，隨之進行交流：通過參觀和體驗“綠色之家”展品，有哪些收獲和思考？很多學生表示能夠更多地關注到房屋的結構，以及根據材料的性能進行合理選擇，也進一步明確和理解了自己這樣設計的科學原理。隨后，學生圍繞保溫、散熱效果與環保節能進行討論，并對設計圖進行了修改（如圖4）。

經過這樣的設計與改進，學生理解和應用了“熱”相關知識，同時在實踐活動中切實體會到工程設計的一般流程以及其特有的復雜性和系統性，感受到工程思維在技術與工程領域中的重要意義，由此真正實現了館校結合的學習方式對于他們科學學習的積極作用。

4.根據設計圖制作模型

學生根據自己的設計圖，利用3D打印材料制作了房屋的整體框架，同時采用太陽能板，為房屋提供基礎電能，通過門、窗以及室內的風扇進行散熱，此外通過地暖進行冬季供暖。學生初步經歷了較為完整的設計、制作過程，最終做出模型。

5.評估測試，改進設計方案

為了更好地判斷模型的保溫、散熱效果，學生設計對比實驗對模型的保溫、散熱效果進行測試。例如，學生將小屋放置在冰箱中模擬冷的環境，在小屋里面放一個裝有水的燒杯，記錄燒杯內水的初始溫度，經過3分鐘再次記錄燒杯內水的溫度，根據前后的溫度差來分析保溫效果。

再如，學生將小屋放在陽光充足的窗臺模擬較熱的環境，記錄小屋內的初始溫度，經過3分鐘后再次記錄小屋內的溫度，根據前后的溫度差來判斷散熱效果。

經過測試，學生發現燒杯內的水在3分鐘后溫度降低了13.3攝氏度，而放在窗臺上小屋內的溫度并沒有變化。因此，學生認為小屋的保溫和散熱的效果均不太理想，還要進一步改進。

通過上述的測試，學生對于自己的設計方案有了更進一步的思考，并提出了改進方案，那么這種改進是否可行或是否能夠起到預期的效果呢？還有沒有可以完善的地方？當學生再次思考和討論時，教師給他們提供一些相關的資料補充（調光玻璃的隔熱與阻隔作用、植物的光合作用與蒸騰作用、風力發電等清潔能源），幫助他們了解在節能環保方面還有哪些可以采取的措施，為他們后續的設計與改進提供參考。

在課堂教學中不具備在設計與制作方面更為豐富和可操作的條件，因此我們再次借助科技館的資源，讓學生在材料與設計方面有更多的了解和體驗。例如，“建造節能房屋”的互動體驗活動，以3D動畫的形式，生動形象地展示被動節能屋中各個系統的實際應用情況，以幫助學生對完善后的設計進行可行性分析。

之后，教師帶領學生圍繞“你建造的節能房屋是什么樣子的？它有什么特點和優勢嗎？”這兩個問題進行交流，引導他們發現工程設計不是一蹴而就的，要在設計過程中不斷發現問題，對于比較復雜的設計可能還需要多次修改和完善，進而使作品真正地服務于人們的生活。我們的設計同樣也是，想要達成預期效果，需要不斷地進行設計上的迭代，使它更為科學、合理。在這個過程中，學生逐漸理解了工程設計的過程是一個復雜的系統工程。學生根據交流討論，再次對“冬暖夏涼的環保小屋”的設計方案進行改進和完善（如圖5）。

6.改進、完善模型，再次測試

除了設計圖，學生在原有模型的基礎上，還在小屋外壁貼上一層泡沫板來模擬保溫墻，在房屋的頂部鋪上一層花泥模擬土壤，以及放上一些綠植，做成綠色屋頂，試圖增強小屋散熱及減少熱輻射的效果，并進行了相應的改進。

模型經過修改后，學生采用之前的方法測試，根據兩次實驗前后數據的對比發現（見表2），改善后的小屋的保溫和散熱效果與之前相比都有了一定程度的增強，這說明改進后的方案是可行的、有效的。

由此可以看到，經過對設計的反復修改，學生不僅能夠通過改變房屋的結構以及優化材料的選擇等方法實現保溫與散熱的效果，同時還體現出綠色節能的環保理念，讓設計更完善。

7.展示與交流

展示與交流的環節，教師要鼓勵學生大膽并且清晰地向他人介紹自己的設計思路，并對他人的設計進行客觀分析和評價，指出其優點及不足，這有助于他們進行反思和改進。教師引導學生在實踐的基礎上總結歸納，發現技術與工程的特點。學生在經歷了整個工程設計的流程后，逐漸形成和發展了設計思維與工程思維。同時基于社會問題而產生的設計，能夠更好地激發學生的社會責任感以及使他們意識到低碳環保的重要性，從而樹立環保意識。

8.活動評價

在活動的過程中，教師主要從學生的設計圖、活動過程中的討論、交流及對他人設計的評價等方面進行評價，并利用我校十二核心素養評價卡進行積分獎勵。

四、結論與建議

1.館校結合是助力學生科學跨學科學習的有效途徑

小學科學教育往往面臨著教學器材資源或學習空間缺乏而影響學生學習效果的窘境。科技館作為開展社會科學教育活動的主要陣地，擁有眾多與小學科學內容相關聯的展教資源。與此同時，科技館展現出的科技發展的歷程、科學前沿領域和科技熱點問題，以及科技展覽弘揚的科學家精神等都是學校科技教育資源的短板。館校結合的學習方式可以更好地豐富校內科學教育的形式，深化科技教育的內涵。這不僅彌補了課堂教學中資源不足的問題，也使學生通過體驗初步經歷和感受了工程思維在技術與工程領域中的重要意義，真正實現了館校結合的學習方式對于學生科學學習的積極作用。

2.科技館課程資源的利用要與課堂教學內容緊密結合

科技館以其豐富的展教資源和真實的情境氛圍提供了體驗式的、多模式的和跨學科的教育機會，但相比小學科學教材內容來說系統性較弱，與小學科學課堂教學的貼合度和銜接性不夠緊密。因此，在進行館校結合的科學學習活動時，教師要基于教學內容進行場館資源的篩選。同時，教師要在充分了解和分析科技館展品所承載的認識價值和實踐價值的基礎上，關聯核心概念進行“展教結合”的設計，也可以基于核心概念串聯不同展區的展品，形成基于學生思維發展的內容結構。

3.館校結合活動要能激發學生深度思考

教師要系統設計館校結合活動，提升學生的學習效果、提高他們的學習效率，激發他們深度思考。首先，教師要合理選擇或整合館校資源，明確校內學習目標和館內學習目標，進而設計相應的教學活動。此外，教師還要圍繞學習內容對館內學習前、學習中、學習后的全過程教育進行規劃，如館內學習實踐前如何設計導引活動、活動實踐時如何提供學習支架，以及學習實踐后如何與課堂連接、如何進行評價等都是需要設計的。

[課題：人民教育出版社課程教材研究所“十四五”課題“小學科學跨學科學習及教材呈現研究”，批準號：KC2022-32]

（作者單位：于青、徐婷婷，北京市西城區奮斗小學；李瑩，北京市西城區教育研修學院）

參考文獻

[1]喻伯軍.義務教育課程標準（2022年版）課例式解讀（科學）[M].北京：教育科學出版社，2022.